鄧朝暉 王超登 萬林林 張曉紅

(①湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南長沙410082)(②湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南長沙 410082)

氮化硅陶瓷材料以其強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良性能在工業(yè)和國防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對于氮化硅陶瓷的超精密加工一般采用研磨的加工方式［1－2］。由于氮化硅陶瓷自身的硬、脆特性，研磨加工易在氮化硅陶瓷表面產(chǎn)生劃痕和殘余應(yīng)力等表面缺陷，無法獲得高質(zhì)量的氮化硅表面，影響零件的使用性能［3］。

化學(xué)機(jī)械拋光是機(jī)械磨削和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的技術(shù)。它借助微粒子的研磨以及拋光研磨液的化學(xué)腐蝕作用在加工工件表面上形成光潔表面［4］。氮化硅陶瓷材料化學(xué)機(jī)械拋光研究機(jī)理主要表現(xiàn)在以下2個(gè)方面:(1)化學(xué)作用:拋光過程中，拋光微粒和拋光墊在加工工件表面之間相互摩擦產(chǎn)生熱能，形成一個(gè)高溫、高壓的局部環(huán)境，有利于CeO2微粒與氮化硅材料發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，生成SiO2等產(chǎn)物［5］。在高溫作用下Si－O鍵的斷裂，發(fā)生水解反應(yīng)生成Si(OH)4軟質(zhì)層，這種軟質(zhì)層水溶性較強(qiáng)，容易被去除［6］。(2)機(jī)械作用:借助CeO2微粒的研磨和拋光墊對工件表面產(chǎn)生一定的擠壓力，把工件表面的軟質(zhì)層除去，并被流動(dòng)的拋光漿料帶走［7］。CeO2材料硬度比 Si3N4材料要小得多(約為1/3)，因此在化學(xué)機(jī)械拋光過程中工件表面幾乎不會(huì)受到CeO2微粒所造成的機(jī)械損傷［8］。

化學(xué)機(jī)械拋光工藝各參數(shù)影響化學(xué)和機(jī)械作用效果，只有找到化學(xué)作用與機(jī)械作用的最佳結(jié)合點(diǎn)，保證兩者實(shí)現(xiàn)良好匹配，才能滿足氮化硅陶瓷低損傷高質(zhì)量的加工要求。

目前，氮化硅陶瓷材料的化學(xué)機(jī)械拋光工藝研究，主要集中在對平面或者球類零件的精密加工，對外形較復(fù)雜的零件的化學(xué)機(jī)械拋光工藝的研究較為少見［9－10］。本文根據(jù)數(shù)控坐標(biāo)磨床的特點(diǎn)和氮化硅陶瓷回轉(zhuǎn)曲面零件的加工要求，將化學(xué)機(jī)械拋光(Chemo－mechanical polishing，CMP)工藝應(yīng)用到氮化硅陶瓷超精密加工過程中，獲得了較高的加工表面質(zhì)量，有效地控制了加工表面缺陷;并通過實(shí)驗(yàn)研究了化學(xué)機(jī)械拋光工藝各參數(shù)對氮化硅陶瓷表面粗糙度的影響規(guī)律。

1 化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)驗(yàn)裝置及工藝參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用寧江機(jī)床廠生產(chǎn)的高精度數(shù)控坐標(biāo)磨床MK2945C。該機(jī)床具有六軸三聯(lián)動(dòng)功能，砂輪中心線與主軸中心線之間有一個(gè)偏置軸稱為U軸，砂輪圍繞主軸旋轉(zhuǎn)的行星軸稱為C軸。自制聚氨酯和無紡布拋光輪，在拋光過程中用拋光輪取代砂輪。回轉(zhuǎn)曲面工件拋光運(yùn)動(dòng)方式為:工件被夾具夾持在自旋工作臺(tái)上，通過自旋工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)及拋光輪的自轉(zhuǎn)配合C軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拋光運(yùn)動(dòng)過程。本實(shí)驗(yàn)使用的材料為北京中材人工晶體研究院生產(chǎn)的高性能氮化硅陶瓷，采用氣氛壓力燒結(jié)成型，其力學(xué)性能如表1所示。Si3N4陶瓷工件拋光實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

拋光工藝參數(shù)如下:水基CeO2拋光液濃度為(5%～20%);拋光輪轉(zhuǎn)速為6 000～10 500 r/min;拋光液流量為0.4～1 L/min;拋光總時(shí)間為4 h，粗拋為聚氨酯拋光輪，拋光時(shí)間為3 h;精拋為無紡布拋光輪，拋光時(shí)間為1 h;拋光過程中粗拋和精拋選用相同的工藝參數(shù)。自旋工作臺(tái)轉(zhuǎn)速為100 r/min。拋光過程中拋光輪始終與氮化硅表面之間保持一定的接觸。

表1 氮化硅陶瓷力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)檢測設(shè)備如下:JB－4C精密粗糙度測試儀，測量精度達(dá)到0.001 μm，能實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的多種參數(shù)測量，在氮化硅陶瓷回轉(zhuǎn)曲面工件幾個(gè)均布位置上分別測量3次，求其平均值作為此拋光條件下的粗糙度值。用德國萊卡(LEICA)DMI－RM倒置金相光學(xué)顯微鏡，對拋光前后工件表面形貌進(jìn)行觀測。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

用400#金剛石噴鍍砂輪磨削半徑R=15 mm的氮化硅陶瓷回轉(zhuǎn)曲面工件，工件表面未出現(xiàn)裂紋，表面粗糙度值為0.7 μm，如圖2。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)驗(yàn)，采用單因素法研究了拋光液濃度、拋光液流量、拋光輪轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)對氮化硅陶瓷表面粗糙度的影響規(guī)律。

2.1 拋光液濃度對表面粗糙度的影響

圖3為拋光后表面粗糙度與拋光液濃度的關(guān)系，其中拋光輪轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，拋光液流量為0.6 L/min。

如圖3所示，隨著CeO2濃度的增大，氮化硅陶瓷加工表面Ra值變小，當(dāng)拋光液濃度超過20%后，Ra值增大。其原因?yàn)?拋光液濃度較低時(shí)，拋光液中CeO2微粒不足，即沒有足夠的CeO2微粒參與化學(xué)反應(yīng)，從而使氮化硅材料的去除率較低，表面粗糙度差;當(dāng)拋光液濃度增大時(shí)，化學(xué)機(jī)械拋光過程中參與化學(xué)反應(yīng)的原料供應(yīng)增加，加大了有效機(jī)械研磨作用，使局部溫度升高，化學(xué)反應(yīng)加速，并且生成的軟質(zhì)層被有效去除，從而實(shí)現(xiàn)了較高的去除率和加工表面質(zhì)量;拋光液的濃度進(jìn)一步增大時(shí)，化學(xué)作用得到進(jìn)一步的增強(qiáng)，但是機(jī)械作用相對不足，導(dǎo)致表面粗糙度值增大。

2.2 拋光液流量對表面粗糙度的影響

圖4所示為表面粗糙度與拋光液流量的關(guān)系圖。拋光液選用CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，拋光輪轉(zhuǎn)速6 000 r/min。

如圖4所示，隨著拋光液流量增大，氮化硅陶瓷加工表面Ra值變小，當(dāng)流量超過0.6 L/min后，Ra值增大。其原因?yàn)?當(dāng)拋光液流量增大時(shí)，使CMP過程中參與化學(xué)反應(yīng)的CeO2微粒增多，并有利于拋光輪微孔中的殘?jiān)驋伖飧碑a(chǎn)物及時(shí)排除，從而增大了拋光速率，提高了拋光質(zhì)量。當(dāng)流量超過0.6 L/min后，由于流量過大，拋光液中的CeO2微粒被快速帶走，影響了CeO2微粒與氮化硅表面及拋光墊的三體接觸過程與接觸時(shí)間，導(dǎo)致拋光過程中化學(xué)作用相對不足，表面粗糙度值增大，表面質(zhì)量降低。

2.3 拋光輪轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

圖5所示為表面粗糙度與拋光輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖，其中CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，拋光液流量0.6 L/min。

隨著拋光輪轉(zhuǎn)速的增大，氮化硅表面Ra值增大。其原因?yàn)?在相同時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速越大，噴射到工件表面與拋光輪之間的拋光液被快速甩出，沒有足夠的CeO2微粒參與化學(xué)反應(yīng)，使拋光過程中化學(xué)反應(yīng)不夠充分，拋光過程中機(jī)械作用相對過強(qiáng)，拋光效果不理想。因此在拋光過程中選擇較低轉(zhuǎn)速比較適宜。

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮拋光效率和表面加工質(zhì)量這2個(gè)因素，對氮化硅陶瓷回轉(zhuǎn)曲面工件化學(xué)機(jī)械拋光工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，具體工藝參數(shù)為:拋光液濃度為20%，拋光液流量為 0.6 L/min，拋光輪轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，其他參數(shù)不變。其表面粗糙度Ra平均值為12 nm。如圖6所示，為倒置金相光學(xué)顯微鏡觀測的表面形貌圖，采用上述加工工藝進(jìn)行拋光加工，可見氮化硅陶瓷表面光潔，無明顯缺陷與劃痕。

3 結(jié)語

(1)將化學(xué)機(jī)械拋光工藝應(yīng)用在數(shù)控坐標(biāo)磨床上，獲得了高質(zhì)量的氮化硅陶瓷加工表面，為氮化硅陶瓷回轉(zhuǎn)曲面工件的超精密加工提供了一種新的方法。

(2)本文采用單因素法，研究了拋光液濃度、拋光液流量、拋光輪轉(zhuǎn)速對加工表面粗糙度的影響規(guī)律:表面粗糙度Ra值并不是隨著濃度增大而得到提高，而是先降低然后增大的趨勢;表面粗糙度Ra值隨著拋光液流量的增大先降低然后增大;表面粗糙度Ra值隨著拋光輪轉(zhuǎn)速的增大而增大，因此在拋光過程中選擇較低轉(zhuǎn)速比較適宜。

(3)對拋光工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選。結(jié)果表明:在拋光液濃度為20%，拋光液流量為0.6 L/min，拋光輪轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的條件下，能獲得較好的表面質(zhì)量，其表面粗糙度Ra值達(dá)12 nm。

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